|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ВАЖЛИВІ НАУКОВІ ВІДКРИТТЯ
Планетарна модель атома. Історія та суть наукового відкриття
Довідник / Найважливіші наукові відкриття У першій атомній теорії Дальтона передбачалося, що світ складається з певної кількості атомів - елементарних цеглинок - з характерними властивостями, вічними та незмінними. Ці уявлення рішуче змінилися після відкриття електрона. Усі атоми повинні містити електрони. Але як електрони у них розташовані? Фізики могли лише філософствувати, виходячи зі своїх знань у галузі класичної фізики, і поступово всі точки зору зійшлися на одній моделі, запропонованій Дж. Дж. Томсоном. Згідно з цією моделлю, атом складається з позитивно зарядженої речовини, всередину якої вкраплені електрони (можливо, вони знаходяться в інтенсивному русі), тому атом нагадує пудинг із родзинками. Томсонівську модель атома не можна було перевірити, але на її користь свідчили всілякі аналогії. Німецький фізик Філіп Ленард у 1903 році запропонував модель "порожнього" атома, всередині якого "літають" якісь ніким не виявлені нейтральні частинки, складені із взаємно врівноважених позитивних та негативних зарядів. Ленард навіть дав назву для своїх неіснуючих частинок - динаміди. Однак єдиною, право на існування якої доводилося суворими, простими та красивими дослідами, стала модель Резерфорда. Ернест Резерфорд (1871–1937) народився поблизу міста Нелсон (Нова Зеландія) у ній переселенця з Шотландії. Закінчивши школу в Хавелоці, де в цей час жила сім'я, він отримав стипендію для продовження освіти в коледжі провінції Нельсон, куди вступив у 1887 році. Через два роки Ернест склав іспит до Кентерберійського коледжу - філії Новозеландського університету в Крайчестері. У коледжі на Резерфорда вплинули його вчителі: викладав фізику та хімію Е. У. Бікертон і математик Дж. Х.Х. Кук. Після того, як у 1892 році Резерфорд був присуджений ступінь бакалавра гуманітарних наук, він залишився в Кентербері-коледжі і продовжив свої заняття завдяки отриманій стипендії з математики. Наступного року він став магістром гуманітарних наук, найкраще склавши іспити з математики та фізики. У 1894 році в "Известиях філософського інституту Нової Зеландії" з'явилася його перша друкована робота "Намагнічення заліза високочастотними розрядами". У 1895 році виявилася вакантною стипендія для здобуття наукової освіти, перший кандидат на цю стипендію відмовився за сімейними обставинами, другим кандидатом був Резерфорд. Приїхавши до Англії, Резерфорд отримав запрошення Дж. Дж. Томсона працювати у Кембриджі у лабораторії Кавендиша. В 1898 Резерфорд прийняв місце професора Макгіллського університету в Монреалі, де почав серію важливих експериментів, що стосуються радіоактивного випромінювання елемента урану. У Канаді він зробив фундаментальні відкриття: їм було відкрито еманацію торію та розгадано природу так званої "індукованої радіоактивності"; Разом з Содді він відкрив радіоактивний розпад та її закон. Тут їм було написано книгу "Радіоактивність". У своїй класичній роботі Резерфорд і Содді торкнулися фундаментального питання енергії радіоактивних перетворень. Підраховуючи енергію до-частинок, що випускаються радієм, вони приходять до висновку, що "енергія радіоактивних перетворень, принаймні, в 20 000 разів, а може, і в мільйон разів перевищує енергію будь-якого молекулярного перетворення". Резерфорд і Содді зробили висновок, що "енергія, прихована в атомі, набагато більше енергії, що звільняється при звичайному хімічному перетворенні". Ця величезна енергія, на їхню думку, має враховуватись "при поясненні явищ космічної фізики". Зокрема, сталість сонячної енергії можна пояснити тим, "що на Сонці йдуть процеси субатомного перетворення". Величезний розмах наукової роботи Резерфорда в Монреалі - їм було опубліковано як особисто, і разом з іншими вченими 66 статей, крім книги " Радіоактивність " , - приніс Резерфорду славу першокласного дослідника. Він отримує запрошення зайняти кафедру у Манчестері. 24 травня 1907 року Резерфорд повернувся до Європи. Почався новий період його життя. У 1908 році Резерфорду було присуджено Нобелівську премію з хімії "за проведені ним дослідження в галузі розпаду елементів у хімії радіоактивних речовин". Наступного року Резерфорд запропонував Ернесту Марсден з'ясувати, чи можуть альфи-частинки відбиватися від золотої фольги. Резерфорд був абсолютно переконаний у тому, що масивні альфа-частинки повинні зазнавати лише незначних відхилень, проходячи крізь золоту фольгу. Більшість із них справді проходила крізь фольгу, лише слабо відхиляючись. Але деякі альфа-частинки – приблизно одна з 20 000, – як зауважив Марсден, – відхилялися на кути понад 90 градусів. Марсден навіть боявся розповісти про це Резерфорду і ретельно впевнився спочатку в тому, що в його дослідах не було помилок. Резерфорд майже не повірив у цей результат спостережень. Через багато років Резерфорд згадував: "Це була, мабуть, найнеймовірнішою подією, яку я коли-небудь переживав у моєму житті. Це було так само неправдоподібно, якби ви постріл по обривку цигаркового паперу 15-дюймовим снарядом, а він повернувся. б назад і догодив у вас". Але в неправдоподібне довелося повірити, і в 1911 році Резерфорд прийшов до переконання, що результати дослідів з розсіяння альфа-частинок золотою фольгою можна пояснити, тільки припустивши, що альфа-частинки проходять на дуже малій відстані від інших позитивно заряджених частинок з розмірами, Розміри атомів. Атом золота повинен складатися з малого позитивного зарядженого ядра і навколишніх електронів. Це було народженням ідеї про атомне ядро та нову галузь фізики - ядерну фізику. Ця ідея була до 1911 не зовсім нова. Її висували раніше Джонстон Стоні, японський фізик Нагаока та деякі інші вчені. Але всі ці гіпотези були суто умоглядними, тоді як ідея Резерфорда ґрунтувалася на експерименті. Результати дослідів, які привели Резерфорда до думки про планетарну будову атома, вчений виклав у великій статті "Розсіяння альфа- та бета-часток у Речовині та Структура Атома", опублікованій у травні 1911 року в англійському "Філософському журналі". Фізики всього світу могли тепер оцінити ще одну, цього разу переконливо підтверджену експериментально модель будівлі атома. Резерфорд був невтомний. І тут же розпочав нове дослідження: став визначати кількість альфа-часток, відхилених фольгою на різні кути в залежності від електричного заряду ядер атомів тієї речовини, з якої виготовлена фольга. Терпіння дослідників було винагороджено. Аналізуючи результати цих дослідів, Резерфорд вивів формулу, яка зв'язує число альфа-часток, відхилених на певний кут, із зарядом ядер речовини фольги-мішені. Тепер можна було з дослідів щодо розсіювання альфа-часток визначати природу матеріалу мішені. У руках дослідників виник перший ядерний метод хімічного аналізу! Вчені порівняли між собою поведінку мішеней з різних матеріалів і встановили, що чим більший заряд ядра, тим більше відхиляються альфа-частинки від прямолінійного шляху. І тут вперше фізичні експерименти відкрили завісу таємниці над періодичним законом елементів. З дослідів Резерфорда випливало, що якби Менделєєв розташував елементи в ряд у міру збільшення заряду їх ядер, то ніяких перестановок робити не потрібно! Фізики внесли уточнення у формулювання періодичного закону, хімічні властивості елементів перебувають у періодичної залежності немає від атомної маси елементів, як від електричного заряду їх ядер. Саме відповідно до величини заряду ядер елементи вишиковуються в тому порядку, в якому розставив їх Менделєєв, спираючись на свої енциклопедичні знання хімічних властивостей елементів. Що ж утримує електрон від падіння масивне ядро? Звісно, швидке обертання довкола нього. Але в процесі обертання з прискоренням в полі ядра електрон повинен частину своєї енергії випромінювати на всі боки і, поступово гальмуючи, все ж таки впасти на ядро. Ця думка не давала спокою авторам планетарної моделі атома. Чергова перешкода на шляху нової фізичної моделі, здавалося, мала зруйнувати всю з такою працею побудовану і доведену чіткими дослідами картину атомної структури. Резерфорд був упевнений, що рішення знайдеться, але він не міг припускати, що це станеться незабаром. Дефект планетарної моделі атома виправить датський фізик Нільс Бор. Майже водночас, коли вчені світу отримали номер "Філософського журналу" зі статтею Резерфорда про будову атома, у Копенгагенському університеті успішно захистив дисертацію з електронної теорії металів двадцятип'ятирічний Нільс Бор. Данський фізик Нільс Хенрік Давид Бор (1885–1962) народився в Копенгагені і був другим із трьох дітей Крістіана Бора та Еллен (у дівочості Адлер) Бор. Його батько був відомим професором фізіології у Копенгагенському університеті. Він навчався у Гаммельхольмській граматичній школі в Копенгагені та закінчив її у 1903 році. Бор та його брат Харальд, який став відомим математиком, у шкільні роки були затятими футболістами. Пізніше Нільс захоплювався катанням на лижах та вітрильним спортом. Якщо у школі Нільса Бора загалом вважали учнем звичайних здібностей, то Копенгагенському університеті його талант дуже скоро змусив себе заговорить. Нільса визнавали надзвичайно здібним дослідником. Його дипломний проект, у якому він визначав поверхневий натяг води з вібрації водяного струменя, приніс йому золоту медаль Данської королівської академії наук. 1907 року він став бакалавром. Ступінь магістра він отримав у Копенгагенському університеті у 1909 році. Його докторська дисертація з теорії електронів у металах вважалася майстерним теоретичним дослідженням. В 1911 Бор вирішив поїхати в Кембридж, щоб кілька місяців попрацювати в лабораторії Дж. Дж. Томсона, першовідкривача електрона. Мати Нільса та його брат Харальд схвалили цю ідею. Не дуже рада була, можливо, його наречена Маргарет, але й вона погодилася. Бор тоді болісно міркував над моделлю Резерфорда і шукав переконливі пояснення тому, що з очевидністю відбувається в природі всупереч усім сумнівам: електрони, не падаючи на ядро і не відлітаючи від нього, постійно обертаються навколо свого ядра. Ось що пишуть у книзі "Біографія атома" К. Манолов та В. Тютюнник: "Якщо у водню лише один електрон, яким чином можна пояснити той факт, що він випромінює кілька різних за довжиною хвилі світлових променів?" – думав Бор. Він знову повернувся до теорії Нікольсона. Блискуча згода між обчисленими та спостережуваними значеннями відносин довжин хвиль спектрів є сильним аргументом на користь цієї теорії. Однак Нікольсон ототожнює частоту випромінювання із частотою коливань механічної системи. Але системи, у яких частота є функцією енергії, що неспроможні випускати кінцевої кількості однорідного випромінювання, оскільки за випромінюванні частота їх змінюватися. Крім того, системи, розраховані Нікольсоном, будуть нестійкі за деяких форм коливань. І, нарешті, теорія Нікольсона не може пояснити серіальні закони Бальмера та Рідберга. - Гансен, мені здається, відповідь є! – сказав Бор. - За допомогою виведеного мною умови стійкості орбіти електрона в атомі можна розрахувати швидкість руху електрона по орбіті, її радіус та повну енергію електрона на будь-якій орбіті. Причому всі формули містять один і той самий множник, так зване квантове число, яке приймає ті ж цілі числа 1, 2, 3, 4 і т. д. Кожному з цих чисел відповідає певний радіус орбіти... - Бор трохи помовчав і продовжував . - Ну, звичайно ж, тепер все ясно. Атом може існувати, не випромінюючи енергії, лише у певних стаціонарних станах, кожен із яких характеризується своїм значенням енергії. Якщо електрон переходить з однієї орбіти на іншу, атом або випромінює, або поглинає енергію у вигляді спеціальних порцій - квантів! - Так ось у чому секрет! - вигукнув Гансен. - Значить, спектр атома відбиває його будову! – Тепер усе стає на свої місця. Зрозуміло, чому атом водню випромінює кілька видів променів. Якщо пронумеруємо орбіти, починаючи з найближчої до ядру, можна сказати, що електрон перескакує з четвертої на першу, з третьої на першу, з третьої на другу орбіту і т. д. Кожен перескок супроводжується випромінюванням світла відповідної довжини хвилі. Дуже сподіваюся, що мені вдасться знайти і кількісну залежність. У 1913 році Нільс Бор опублікував результати тривалих роздумів і розрахунків, найважливіші з яких стали з тих пір іменуватися постулатами Бора: в атомі завжди існує велика кількість стійких і строго певних орбіт, якими електрон може мчати нескінченно довго, бо всі сили, що діють на нього , Виявляються врівноваженими; електрон може переходити в атомі тільки з однієї стійкої орбіти на іншу, так само стійку. Якщо при такому переході електрон віддаляється від ядра, то необхідно повідомити ззовні деяку кількість енергії, що дорівнює різниці в енергетичному запасі електрона на верхній і нижній орбіті. Якщо електрон наближається до ядра, то зайву енергію він "скидає" у вигляді випромінювання. Ймовірно, постулати Бора посіли б скромне місце серед низки цікавих пояснень нових фізичних фактів, здобутих Резерфордом, якби не одна важлива обставина. Бор за допомогою знайдених ним співвідношень зумів розрахувати радіуси "дозволених" орбіт для електрона в атомі водню. Знаючи різницю між енергіями електрона на цих орбітах, можна було побудувати криву, яка описує спектр випромінювання водню в різних збуджених станах і визначити, хвилі якої довжини повинен особливо охоче випускати атом водню, якщо підводити до нього ззовні надмірну енергію, наприклад, за допомогою яскравого світла лампи. Ця теоретична крива повністю збіглася зі спектром випромінювання збуджених атомів водню, виміряним швейцарським ученим Я. Бальмер ще в 1885 році! Планетарна модель атома отримала могутнє підкріплення, у Резерфорда і Бора з'являлося дедалі більше прибічників. Автор: Самін Д.К.
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Шум покращує роботу датчиків ▪ Високоінтегрований драйвер електромотора ATA6026 ▪ Віртуальний тренер з йоги від Panasonic ▪ Багаторазова супергубка для вбирання нафти
▪ Розділ сайту Типові інструкції з охорони праці (ТОІ). Добірка статей ▪ стаття Безплідна смоковниця. Крилатий вислів ▪ стаття Що означає заклинання, яке вимовляє Старий Хоттабич у книзі Лазаря Лагіна? Детальна відповідь ▪ стаття Верстатник на деревообробному устаткуванні. Типова інструкція з охорони праці ▪ стаття Побутова електроніка. Різне. Довідник ▪ стаття Трисмугова АС просторового звуку. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page